Ну, что-же, второй метод снижения выбросов соединений NOx - нейтрализовать уже образовавшиеся в специальном реакторе химическим путем. Способ этот, как и РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ рассчитан для работы на топливе с содержанием серы не более 0,1%, то есть для двигателей, соответствующих Tier III (третий этап перехода на экологически нейтральные энергетические установки).
🟢Принцип действия
И сразу интересное "НО": снижение, именно снижение до норматива, а не полная нейтрализация; вот что происходит в подобном оборудовании.
Итак, из системы газовыпуска отработавшие газы попадают в специальный реактор. В нем, соединения NOx чередой химических реакций превращаются в молекулярный азот и воду.
Катализатор представляет из себя ячеистую структуру, это позволяет при довольно компактных размерах заиметь площадь активной зоны в сотни квадратных метров. Смотри Рисунок 3.
Аммиак, как совсем не полезное, особенно в условиях работы с ним в закрытых помещениях, соединение, используется в виде растворенной в воде мочевины.
Впрыскиваемая в испарительную камеру, мочевина разлагается на аммиак и углекислый газ.
🟢Работа реактора
Основным параметром работы SCR реактора является температура газов в реакторе. Температура не должна опускаться ниже определенного уровня, чтобы не допустить установления процесса низкотемпературной (серно-кислотной коррозии), а так-же - не допустить образования очень липкого продукта - бисульфата аммония. Соединение это достаточно липкое, чтобы облепить ячейки реактора и свести его работу на нет. В связи с этими двумя факторами определено, что при работе на топливе с содержанием серы не более 0,1 % температура в реакторе не должна опускаться ниже 310 градусов по шкале Цельсия.
На Рисунке 5 покрыто большее количество режимов работы двигателя и топливо с различным содержанием серы.
Кстати, у "палки всегда есть второй конец" и касательно температуры - тоже. Перегревать нельзя, так как это приведет к интенсификации формирования соединения SO3, что тоже не хорошо.
SO3 при соприкосновении может и превращается в серную кислоту, что довольно агрессивна по отношению к металлическим конструкциям.
Но это еще не все! При перегреве до температуры около 500 градусов аммиак подвергается окислению, из-за чего для нормальной работы реактора мочевины нужно больше.
При температуре 500-550 плохо становится уже самому катализатору, но поверхности которого и происходит "чудесная" "зеленая" реакция превращения NOx в азот и воду.
В общем, не все так просто с этими реакторами и как минимум придется поддерживать определенный температурный режим, который, при работе без реактора, был не так важен.
А еще подобные реакторы могут быть в двух исполнениях в зависимости от рабочего давления: высокого и низкого...
🟢Реакторы высокого давления
Процесс каталитического снижения содержания NOx, выполненный по технологии высокого давления для низкосернистого топлива изображен на Рисунке 5.
На Рисунке 5: Reducing agent - реагент (мочевина), Vaporiser/mixer - испарительно-смесительная камера, SCR reactor - каталитический реактор, Scavenge air receiver - ресивер продувочного воздуха, Exhaust receiver - выпускной (выхлопной) коллектор, T/C - газо турбо компрессор, Cooler - теплообменник, WMC - уловитель влаги.
Система, в общих чертах, состоит всего из двух компонентов: смесительно-испарительной камеры и самого каталитического реактора. В испарительную камеру подводится реагент (мочевина), в ней он испаряется с образованием аммиака, после чего попадает в реактор с катализатором, в котором и происходит диссоциация (разложение) азотистых соединений на молекулярный азот и воду.
Из-за особенностей требований к системе (тот самый температурный режим) всю эту цепочку обработки газов необходимо поместить перед турбокомпрессором. Температура после ТК будет ниже на 50-175 градусов и поддерживать требуемую температуру в реакторе будет уже сложнее.
При работе на режиме Tier III (второй этап (читай первую статью) испаритель и реактор отсекаются клапанами RSV и RTV. Все отработавшие газики направляются клапаном RBV в турбокомпрессор.
В режиме Tier III испаритель и реактор вводятся в работу открытием клапанов RSV и RTV, при этом обводной клапан RBV закрывается.
Есть еще один клапан, функцию которого я не описал - EGB. Он сбрасывает выпускные газа байпас ТК и нужен для регулирования производительности турбокомпрессора на долевых нагрузках.
Вроде все, но нет. Не смотря на то, что реактор помещен перед турбиной, и горячие выпускные газы заходят в активную зону прямо из цилиндров, на низких нагрузках этого может быть недостаточно. Чтобы поднять температуру выпускных газов открывается клапан CBV и сбрасывает часть продувочного воздуха в систему выпускных газов. В результате продувочного воздуха в ресивере становится меньше из-за чего поднимается температура выпускных газов. Но такое решение, несомненно, поднимет удельных расход топлива, так как снижает эффективность газообмена.
🟢Реакторы низкого давления
Если использовать только топливо с содержанием серы 0,1% или ниже, то можно установить и установку низкого давления, в которой всё дополнительное оборудование размещено после ТК.
На Рисунке 7: SCR reactor - реактор, Exhaust gas receiver - выпускной коллектор, Scavenge air receiver - продувочный ресивер, Burner - нагреватель (форсунка), Vaporiser - испаритель, Blower - вентилятор, DCU - decomposition unit - узел расщепления или разделения, EGB - exhaust gas by-pass - обводной клапан, RSV - reactor sealing valve - клапан, изолирующий реактор, RBV - reactor by-pass valve - обводной клапан реактора, RTV - reactor throttle valve - клапан, изолирующий реактор, AIG - agent injection greed.
В такой схеме сам процесс нейтрализации NOx идентичен таковому в первой схеме, но есть "НО".
Вся цепочка элементов установки расположена уже за ТК, со стороны "низкого давления", что подразумевает работу на более низких температурах (те самые 50-175 градусов), а это плохо, как и описано чуть выше.
Так вот, для поддержания высокой температуры в активной зоне в схеме "низкого давления" используется рециркуляция части выпускных газов через своеобразную систему подогрева - DCU.
Получается, что после реактора часть уже отработавших и очищенных газов возвращается в систему, проходит процедуру подогрева в специальной камере, в которую они нагнетаются вентилятором, после чего проходят в испаритель, в котором получают порцию мочевины, и только после этого смесь попадает в специальный инжектор, расположенный на входе в реактор... фух... написал).
🟢"Логика" работы реактора высокого давления
Работа подобной системы требует определенных энергозатрат, я об этом уже писал. Производитель утверждает, что удельный расход топлива подрастет в пределах от 0.5 до 2 граммов топлива на один произведенный киловатт. Много ли это? Эталоном в индустрии считается удельный расход в 168 граммов на кило Ватт, посчитай. В реальных условиях этот расход недосягаемо мал.
🟢"Логика" работы реактора низкого давления
Тут то же самое, но ожидаемое увеличение расхода уже от 1 до 2 граммов на кило Ватт.
🟢Влияние систем SCR на утилизационные котлы.
Для тех, кто не в теме. На системе газовыпуска главного двигателя могут быть дополнительные хвостовые поверхности, такие как утилизационный котел. Газы на выходе из трубы еще достаточно горячи, чтобы можно было их использовать для производства пара. Так и делаем).
Температура выпускных газов на выходе из утилизационного котла чуть выше 100, что подразумевает образования бисульфата аммония на поверхности теплообменных трубок. Что же делать?
Производитель утверждает, что при использовании низкосернистых сортов топлива образование подобной липкой и одновременно твердой субстанции минимально и с этим можно бороться стандартными методами, применяемыми для очистки утилизационных котлов.
Что до "езды" на топливе с содержанием серы выше 0,1%, тут уже образование бисульфата аммония может принимать устрашающий характер, да еще и очищать его будет гораздо сложнее. Поэтому производитель SCR систем рекомендует обзавестить байпасным клапаном, чтобы обводить утилизационный котел и не подвергать его обрастанию.
От себя добавлю, что утилизационный котел может питать утилизационную турбину и на определенных режимах работы может выдавать в судовую электрическую сеть около Мега Ватта электроэнергии. Потеря такого агрегата сильно ударит по карману фрахтователей, что и платят за топливо. Зато "экология". Ждем системы инжекции специальной химии-дожигателя бисульфата аммония...
🟢Схемы реакторов
Не смотря на то, что система SCR - неотъемлемая часть двигателя, разрабатывается она отдельно. Габариты и компоновка элементов установки зависит от потока газов, что зависит от мощности двигателя. Вот еще пара факторов, влияющих на форм-фактор системы:
- если условиями эксплуатации требуется увеличенное время работы реактора и большие интервалы между обслуживанием, соответственно, габариты установки увеличатся
- если в качестве основного реактива выбран аммиак, то размеры испарительной камеры будут снижены, но хранение чистого аммиака является более требовательным технологическим процессом, нежели хранение мочевины
🟢Реактор высокого давления
На Рисунке 10 изображена компоновка от корпорации Хитачи. Это схема высокого давления, что диктует близкое расположение реактора к двигателю, так как газы после реактора должны еще пойти в турбокомпрессор. Клапан сброса газов байпас турбины тоже должен находиться как можно ближе к выпускному коллектору.
🟢Реактор низкого давления
Рисунок 11 демонстрирует компоновку реактора низкого давления от корпорации Дусан. Все узлы можно разместить на значительном удалении од двигателя, так как основную работу на выходе и выпускного коллектора (обеспечение работы турбокомпрессора) газы уже выполнили. Такая схема значительно более гибка для внедрение на существующие суда.
🟢Система подачи реагента
В качестве регента может быть использован аммиак, 25%-й водный раствор аммиака, 32,5%-раствор мочевины или 40%-й раствор мочевины.
Аммиак - субстанция токсичная и опасная, для её хранения требуются более сложные системы, но технологический процесс использования её в реакторе проще и система может занимать меньше места.
Мочевина же не так опасна для человека, системы хранения, но для реакции её требуется гораздо больше, поэтому и объёмы запасов подобного реагента должны быть большими. К тому же, при использовании мочевины необходимо оборудовать систему более громоздкими и сложными камерами испарения.
Водный раствор аммиака на так опасен как чистый аммиак и при должном обращении с ним может быть использован практически как мочевина.
Независимо от типа используемого реагента, его инжекция осуществляется сжатым воздухом.
🟢Мочевина
На Рисунке 12: Urea tank - танк с мочевиной, Supply unit - насосная станция, Wash water - промывочная вода, Injection unit - инжектор, Vaporiser/mixer - испарительно-смесительная камера, Air supply - станция обеспечения сжатым воздухом, Soot blower - сажеобдувка, SCR reactor - реактор.
Смотри на Рисунок 12. Мочевина из танка запаса специальным насосом подается в испарительную камеру. Насосная станция так-же оборудована системой подачи пресной воды, что используется для промывки сопел инжектора.
Есть еще и опция с мочевиной в сухом виде, что должна замешиваться с водой уже на борту.
🟢Водный раствор аммиака
На Рисунке 13: Ammonia solution tank - танк с раствором аммиака, Enclosed space - зона ограниченного доступа, Drain tank - дренажный танк.
Даже водный раствор аммиака вреден и опасен как для человека, так и для окружающей среды, поэтому, при использовании подобного реагента принимаются дополнительные меры безопасности. Танк с водным раствором аммиака, насосная станция и инжектор должны находиться в отдельном закрытом, но хорошо вентилируемом помещении.
🟢Сажеобдувка
Для предотвращения зарастания элементов конструкции продуктами горения топлива работы реактора предусмотрена система сдувания сажи. По заложенному алгоритму сажа периодически сдувается с элементов конструкции реактора сжатым воздухом и выводится потоком газов наружу.
Немного от себя. Чтобы система сдувания сажи работала нормально и отслоившаяся сажа не оседала в нижней части реактора и в изгибах газохода нужно обеспечить приличный поток газов, что достигается при работе на высоких мощностях. Простыми словами: придется немного разгоняться перед процедурой сдувания сажи, чтобы она гарантированно покинула газоход. Сажа при том летит за борт и оседает на воду. В будущем ждем "системы улавливания сажи".
🟢Система подогрева реактора
Как и упомянуто несколько раз выше, температура рабочего процесса - очень важный параметр и его нужно поддерживать в определенных пределах. Реактор используется не всегда, а только в зонах NOx ECA (зоны ограничений выбросов соединений NOx), поэтому, очевидно появляются "стыки" между работой и простоем реактора. А еще при стоянке в порту главный двигатель не задействован и реактор остынет. Для поддержания необходимой температуры подобное оборудование должно быть оснащено системами подогрева.
От себя: как именно системы подогрева будут устроены и на каком принципе будет базироваться их работа я не знаю. Одно понимаю предельно ясно - электрическими подогревателями греть такое количество металла - экономически не выгодно и просто глупо. Греть паром - более подходящий вариант, но тогда все элементы конструкции нужно будет обернуть в "паровую рубашку", что, учитывая опыт эксплуатации таковых в меньших масштабах, снизит надежность конструкции в разы. Остается один путь - греть газами. Либо их нужно брать из газохода вспомогательных дизель генераторов, либо устанавливать форсунки обогрева.
🟢Компоновка машинного отделения
На Рисунке 15 изображена компоновка машинного отделения с SCR реактором, использующим мочевину в качестве реагента. На схеме так-же указана отдельная система сжатого воздуха, видимо, имеющихся на борту компрессоров не достаточно, но может быть и вариант использования основных компрессоров пускового воздуха или компрессора хозяйственных нужд (если такой есть).
🟢Хранение реагентов на борту
В связи с разными свойствами разных реагентов, их влиянием на элементы конструкции танков хранения и вредных по отношению к персоналу качеств, системы хранения варьируются как в плане форм-фактора ёмкостей так и в плане материалов.
Объём танков запаса реагента должен высчитываться исходя из удельного расхода (на одну морскую милю например), района плавания, времени пребывания в зонах ограничения выбросов NOx и периода времени между бункеровками (дозаправками) реагентом.
Материалы конструкции системы хранения должны соответствовать реагенту, не должны вступать с ним в химические реакции. Температура реагента должна поддерживаться в пределах 10-55 градусов по шкале Цельсия, поэтому системы подогрева должны быть.
Мочевину можно хранить в обычном танке запаса, покрытым изнутри антикоррозионным покрытием, а можно и нержавеющую конструкцию установить. Танк должен быть сообщен с атмосферой за пределами машинного отделения.
Водный раствор аммиака должен храниться в специальном танке в отдельном закрытом помещении с ограниченным доступом. Система вентиляции танка и помещения должны быть выведены за пределы машинного отделения. Трубы системы должны либо быть двойными с системой вентиляции межтрубного пространства, либо особым образом изолированы.
🟢Пример расположения системы SCR в машинном отделении
Пока все. Будет 3-я часть по скрубберам.
Оригинал статьи можно почитать по ссылке https://t.me/c/1536125753/598
Чтобы получить доступ к материалу, на библиотеку нужно быть подписанным. Вот ссылка https://t.me/+QV9wgiG-9O8xNmQy
Пиши комментарии и другие мозговые мюсли, я все читаю!
https://boosty.to/sharapovmechanik/donate - поддержать автора можно по ссылке.
Первая часть статьи. Рециркуляция выпускных газов.